Apport des méthodes de chimie quantique (DFT et TD-DFT) à l'étude des mécanismes de complexation des métaux par des molécules modèles des substances humiques

par Erwan André

Thèse de doctorat en Optique & Lasers, Physico-chimie, Atmosphère

Sous la direction de Jean-Paul Cornard et de Christine Lapouge.

Soutenue le 09-12-2008

à Lille 1 .


  • Résumé

    Les substances humiques sont issues de la dégradation de résidus organiques et représentent la partie la plus importante de la matière organique des sols. Celles-ci sont capables de piéger de nombreux polluants comme les métaux et jouent donc un rôle majeur dans la rétention des ions métalliques. Leurs propriétés complexantes sont dues principalement à certaines fonctions récurrentes : les groupements carboxyliques et phénoliques. La structure de ces macromolécules étant méconnue, une approche pour comprendre les interactions métallo-humiques consiste à étudier des molécules modèles plus simples, et qui possèdent les mêmes groupements fonctionnels. L'acide protocatéchuique présente l'intérêt de mettre en compétition vis-à-vis de la complexation les fonctions acide carboxylique et catéchol (groupement 1,2dihydroxybenzoïque) . Les réactions de complexation d'AI(Ill) et de Pb(ll) par l'acide protocatéchuique ont été suivies pour différents pH. Les méthodes de chimie quantique combinées à la spectroscopie électronique ont permis de caractériser les complexes formés, mais aussi de déterminer les mécanismes de complexation et d'expliquer la régiosélectivité des réactions. Pour les deux ions métalliques un changement de site de fixation a été mis en évidence lorsque le pH augmente. Par ailleurs, l'étude de la complexation d'Al(Ill) et de Pb(ll) par deux isomères de l'acide protocatéchuique : les acides 2pyrocatéchuique et ß-resorcylique, a permis de constater l'influence de la position des fonctions complexantes sur le cycle benzénique sur la fixation métallique.

  • Titre traduit

    Contribution of quantum chemical methods (DFT and TD-DFT) to the study of metal complexation mechanisms by humic substances models


  • Résumé

    Humic substances result from the degradation of organic residues and represent the greatest part of the soil organic matter. They are able to trap many pollutants like heavy metals and play a major role in the metal ions retention. Their complexing properties are mainly due to sorne recurrent functions: carboxylic and phenolic groups. The macromolecular structure of these molecules being unknown, a way to understand metallo-humic interactions consist in studying simpler model molecules which posses the same functional groups. Protocatechuic acid presents carboxylic acid and catechol (1,2-dihydroxybenzoic group) functions in competition toward metal complexation. Complexation reactions of AI(Ill) and Pb (II) by protocatechuic acid have been followed for different pH. Quantum chemical methods combined with electronic spectroscopy have allowed characterising the formed complexes, as well as to determine the complexation mechanisms and explain the regioselectivity of the reactions. For both metal ions, a change in the fixing site along with an increase of the pH has been higWighted. Besides, the study of Al(Ill) and Pb(II) complexations by two protocatechuic isomers: the 2-pyrocatechuic and ß-resorcylic acids, has allowed the observation of the influence of the complexing functions position around the benzene ring on the metal fixation.

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